血红素诱导人精密切割肺切片肺损伤：急性肺损伤研究的新模型 —— 揭示 ARDS 潜在机制与治疗靶点

《Respiratory Research》：Heme-induced lung injury in human precision cut lung slices: a new model for acute lung injury

急性呼吸窘迫综合征（ARDS）死亡率高且缺乏有效药物，其原因之一是缺乏合适模型。研究人员开展血红素诱导人精密切割肺切片（PCLS）肺损伤的研究，结果显示血红素可诱导 PCLS 炎症因子释放和细胞死亡，该模型有助于研究急性肺损伤和 ARDS 机制。

　　急性呼吸窘迫综合征（ARDS），这一在临床上以急性低氧性呼吸衰竭为特征的病症，如同隐藏在患者体内的 “夺命杀手”。它可由肺部或肺外多种原因引发，像肺炎、败血症等。在新冠疫情期间，由严重急性呼吸综合征冠状病毒 2（SARS-CoV-2）病毒初始变种诱发的 ARDS，更是在全球范围内造成了 710 万人死亡。即便在非疫情时期，ARDS 也给医疗系统带来了沉重负担，轻度和重度 ARDS 患者的死亡率分别高达 34.9% 和 46.1%。然而，目前针对 ARDS 的治疗主要依赖氧气支持疗法，有效的药物治疗手段尚未出现。这是因为 ARDS 在病因、发病机制、临床表现和治疗反应等方面存在显著的异质性，使得药物研发困难重重。

在 ARDS 患者中，常常会出现红细胞受损的情况，血红蛋白释放到血管内和肺泡腔内，进而分解出具有促氧化、炎症和细胞毒性的血红素。研究发现，ARDS 患者血清中血红素和血红素加氧酶 1（HO-1）水平升高，且血红素水平与患者死亡率相关。尽管此前有研究表明血红素在体外具有促炎作用，但现有的体外和体内模型无法完全模拟人类疾病的复杂性。在此背景下，为了深入探究血红素在肺损伤和 ARDS 中的病理生理作用，来自瑞士伯尔尼大学医院等机构的研究人员开展了一项研究，相关成果发表在《Respiratory Research》杂志上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，从 21 位接受胸外科手术患者的剩余肺组织中制备 PCLS。之后，运用转录组分析技术，对 7 位供体的 PCLS 进行总 RNA 分离和测序，以研究基因表达变化；同时进行蛋白质组分析，从相同供体的 PCLS 中分离总蛋白，分析蛋白质表达差异。此外，通过细胞活力和细胞毒性检测、免疫荧光染色以及细胞因子测量等实验，全面评估血红素对 PCLS 的影响。研究还纳入了 20 位 COVID-19 相关 ARDS 患者和 20 位健康成年人的血清样本，进行对比分析。

研究结果如下：

• 血红素增加细胞毒性并降低细胞存活率：与健康对照组相比，COVID-19 相关 ARDS 患者血清中的血红素、HO-1 和铁蛋白水平显著升高。在 PCLS 实验中，随着血红素浓度增加，PCLS 的活力呈剂量依赖性下降，100 μM 血红素刺激后，细胞毒性显著增加，且细胞摄取核染料 DRAQ7 增多，表明细胞膜受损，细胞失去活性。
• 血红素诱导促炎和损伤信号：转录组分析显示，血红素刺激后，PCLS 中有 1827 个基因差异表达，包括炎症相关基因（如 IL₆、TNF、CXCL₈和 IL-1β）和细胞外基质（ECM）相关基因的变化。基因本体（GO）分析表明，差异基因涉及 ECM 结构组成、细胞因子信号诱导等过程。蛋白质组分析发现 35 种差异表达蛋白，主要为炎症细胞因子。基因集富集分析（GSEA）显示，血红素刺激激活了炎症通路（如 NF-κB、JAK/STAT 和 TLR 信号通路）以及细胞死亡途径（坏死性凋亡和铁死亡）。同时，ELISA 检测证实血红素刺激后 PCLS 上清液中炎症细胞因子 IL-8 和 IL-6 的分泌增加。此外，研究还确定了 27 个在基因和蛋白质水平同时表达的标记物。临床相关性分析发现，COVID-19 相关 ARDS 患者血清中部分炎症细胞因子（如 IL-6、IL-8、CXCL₁、CXCL₂和 GDF-15）水平升高，与 PCLS 模型结果一致。

在讨论部分，研究人员指出，虽然血红素可能不是 ARDS 发展的初始和唯一原因，但血清中升高的血红素水平表明其可能参与肺损伤及相关机制。该研究首次利用转录组和蛋白质组分析结合 PCLS 模型研究血红素诱导的损伤，减少了急性肺损伤和 ARDS 研究对动物实验的依赖，符合 “3R 原则”。不过，该模型也存在一定局限性，例如无法研究循环炎症细胞的作用，不能完全模拟体内的生理条件等。尽管如此，该模型仍有助于评估 ARDS 的相关机制和潜在药物靶点，为个性化治疗提供了有价值的方向。

总的来说，这项研究通过建立血红素刺激的 PCLS 模型，发现血红素可诱导人 PCLS 炎症细胞因子释放和细胞死亡，与 COVID-19 相关 ARDS 患者的血液样本结果相似。这一模型为研究急性肺损伤和 ARDS 的发病机制提供了新的视角，有助于发现新的治疗靶点和开发更有效的治疗方法，推动了呼吸疾病研究领域的发展，为未来攻克 ARDS 这一难题奠定了重要基础。